Curvas e Superfícies Profª Soraia Raupp Musse
Classificação Curvas Apenas comprimento 2
Classificação Superfícies Apenas área Cascas infinitesimalmente finas, ocas Abertas ou fechadas 3
Classificação Sólidos O interior também interessa Isto é um sólido? 4
Problema: Gerar uma curva suave que passe por pontos específicos B A C D 5
Solução: gerar uma curva no espaço, distribuindo pontos de maneira suave B A C D
Interpolação Princípio básico Alterar de forma incremental a posição de um ponto no espaço A base para a maioria das técnicas de animação é algum tipo de interpolação de valores.
Interpolação X Aproximação
Interpolação X Aproximação Na interpolação, a curva passa sobre todos os pontos definidos. Na aproximação, a curva começa sobre o ponto inicial e termina sobre o final. Os demais pontos são aproximados. Hermite, Catmull-Rom spline Bézier, curvas B-spline
Como podemos representar uma curva? Localização no espaço de um ponto que se move Como podemos descrever este conceito? 10
Possibilidades de Representações Alguns objetos podem ter mais de uma possibilidade para serem representados Exemplo: círculo centrado na origem com raio=1 x 2 y 2 Paramétrica1
Possibilidades de Representações Alguns objetos podem ter mais de uma possibilidade para serem representados Exemplo: círculo centrado na origem com raio=1 x 2 y 2 1 x( ) cos y( ) sen Implícita Paramétrica/explícita
Possibilidades de Representações Implícita: definida através de duas variáveis, mas não é dada uma maneira explícita de resolver y em função de x Função explícita de x e y em função de outra variável. x 2 y 2 1 x( ) cos y( ) sen Implícita Paramétrica
Tipos de Representação Representação não-paramétrica Representação por equações onde uma das coordenadas é determinada em função das outras Equações explícitas: y = f(x) Adequadas para a geração de novos pontos Exemplos Equações implícitas: f(x,y) = 0 Boas para fazer consistência Exemplos
Tipos de Representação Principais desvantagens das representações nãoparamétrica em CG É difícil definir a equação não paramétrica de uma curva que passe por um conjunto de pontos prédefinidos. Não permite a representação de curvas com laços 15
Tipos de Representação Representação Paramétrica Representação por equações onde as coordenadas são obtidas em função de um parâmetro Equações paramétricas: x = f(t) e y = g(t) Adequadas para gerar uma seqüência de pontos Classificadas de acordo com seus termos: linear (grau 1), quadrática (grau 2), cúbica (grau 3), transcendental (sin, cos, log,...)
Tipos de Representação Forma paramétrica Curvas paramétricas x = f(u) y = g(u) z = h(u) Superfícies Paramétricas x = f(u,v) y = g(u,v) z = h(u,v) Exemplo de equações paramétricas x = x0 + r cos α y = y0 + r sin α αe[0,2π] 17
Tipos de Representação Principais vantagens das formas paramétricas em CG Resolve os problemas da forma não paramétrica. A curva pode ser definida a partir de pontos de controle (é fácil de manipular interativamente). A curva pode ou não passar por um conjunto de pontos prédefinidos. A curva é aproximada por polinômios que definem as suas várias partes. O comportamento da curva em relação a cada um dos eixos é definido por equações independentes As coordenadas são obtidas em função de um parâmetro 18
Representação Paramétrica Para CG, representações paramétricas costumam ser as mais convenientes Assim, genericamente, uma curva 3D é Q(t)=[x(t) y(t) z(t)] x(t), y(t), z(t) são chamadas de funções-base (blending functions)
Representação Paramétrica A curva é definida através de um conjunto de pontos de controle que influenciam a forma da curva. Os nós são pontos de controle que pertencem à curva. A curva pode ser interpolada, passando nesse caso por todos os pontos de controle, ou pode ser aproximada, passando apenas em alguns pontos de controle ou mesmo nenhum. Os pontos de controle definem a fronteira de um polígono designado por convex hull. 20
Representação Paramétrica Parâmetro (t) é usado para percorrer a curva Pode ser associado ao tempo x(t) = fx(t) y(t) = fy(t) z(t) = fz(t)
Reta Paramétrica P(t)= P 0 + at P x = P x0 + at P y = P y0 + at P z = P z0 + at 22
Complexidade Quanto mais simples a equação da função de interpolação, mais rápida sua avaliação. Polinômios são fáceis de avaliar Mas... polinômios de que grau? f ( t) at b f t) at 2 bt c 3 2 ( f ( t) at bt ct d Linear Quadrático Cúbico
Complexidade Impacta na eficiência do algoritmo Grau menor que 3: Pouca flexibilidade. Grau maior que 3: Maior custo computacional com pouca vantagem prática. Por padrão, usa-se cúbicas. f ( t) at 3 bt 2 ct d
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Continuidade Questão fundamental Métodos adequados: Hermite Catmull-Rom Blending de parábolas Curvas Bézier...
Continuidade Para assegurar a continuidade entre segmentos de curva, definem-se restrições adicionais de continuidade 2 tipos de continuidade: Continuidade paramétrica, denotada por C n onde n = grau de continuidade Continuidade geométrica, denotada por G n 28
Continuidade Continuidade Geométrica G0 Continuidade Paramétrica C0 Dois segmentos se encontram em um ponto Continuidade Geométrica G1 Direção das tangentes dos segmentos são iguais no ponto de junção Continuidade Paramétrica C1 Direção e magnitude das tangentes dos segmentos são iguais no ponto de junção Continuidade Paramétrica C2 Segunda derivada é igual, ou seja, a mesma aceleração 29
Controle Local Global
Métodos para representar curvas Hermite Bézier B-Spline
Hermite Definida a partir de restrições no ponto inicial e no ponto final. Os pontos propriamente ditos: P0 e P1 Vetores tangentes nestes pontos: m0 e m1
Hermite R 1 P 1 P 4 R 4 33
Hermite Vantagens Bem fácil de implementar Adequada para aplicações onde seja útil definir a curva em função dos vetores tangentes Passa nos pontos de controle (interpolação) Desvantagens Não garante, de forma automática, a continuidade entre os segmentos de curva É necessário os vetores tangentes terem a mesma direção e sentido Não permite controle local Alteração de um ponto de controle altera toda a curva 34
// use the parametric time value 0 to 1 for(int i=0;i!=lod;++i) { float Geometry[4][3] = { { 10,10,0 }, // Point1 {-10,5,-2 }, // Point2 { 5,-5,0 }, // Tangent1 { 5,10,0 } // Tangent2 }; unsigned int LOD=20; float t = (float)i/(lod-1); // calculate blending functions float b0 = 2*t*t*t - 3*t*t + 1; float b1 = -2*t*t*t + 3*t*t; float b2 = t*t*t - 2*t*t + t; float b3 = t*t*t - t*t; // calculate the x,y and z of the curve point float x = b0*geometry[0][0] + b1*geometry[1][0] + b2*geometry[2][0] + b3*geometry[3][0] ; float y = b0*geometry[0][1] + b1*geometry[1][1] + b2*geometry[2][1] + b3*geometry[3][1] ; Código float z = b0*geometry[0][2] + b1*geometry[1][2] + b2*geometry[2][2] + b3*geometry[3][2] ; } // specify the point glvertex3f( x,y,z ); 35
Bézier Curva polinomial desenvolvida em 1962 por Pierre Bézier. Utilizada no projeto de automóveis (Renault). Baseada no algoritmo de De Casteljau em 1957. Curva de aproximação. Controle global.
Bézier
Bézier P(t)= (1 t) 2 P 0 + 2 t (1 t) P 1 + t 2 P 2
Bézier P(t) = (1 t) 3 P 0 + 3 t (1 t) 2 P 1 + 3 t 2 (1 t) P 2 + t 3 P 3
// use the parametric time value 0 to 1 for(int i=0;i!=lod;++i) { float Geometry[4][3] = { { 10,10,0 }, // Point1 {-10,5,-2 }, // Point2 { 5,-5,0 }, // Tangent1 { 5,10,0 } // Tangent2 }; unsigned int LOD=20; float t = (float)i/(lod-1); float it = 1.0f-t; // calculate blending functions float b0 = t*t*t; float b1 = 3*t*t*it; float b2 = 3*t*it*it; float b3 = it*it*it; // calculate the x,y and z of the curve point float x = b0*geometry[0][0] + b1*geometry[1][0] + b2*geometry[2][0] + b3*geometry[3][0] ; float y = b0*geometry[0][1] + b1*geometry[1][1] + b2*geometry[2][1] + b3*geometry[3][1] ; float z = b0*geometry[0][2] + b1*geometry[1][2] + b2*geometry[2][2] + b3*geometry[3][2] ; } // specify the point glvertex3f( x,y,z ); 40
Bézier De Casteljau: algoritmo geométrico para construção de curvas Bézier.
Algoritmo de De Casteljau p 1 p 12 u = 0.25 p 01 p 02 p 0 p 2
Algoritmo de De Casteljau p 1 u = 0.5 p 01 p 02 p 12 p 0 p 2
Algoritmo de De Casteljau p 1 p 01 u = 0.75 p 02 p 12 p 0 p 2
Algoritmo de De Casteljau p 1 p 02 (u) p 0 p 2
Bézier Propriedade: Convex Hull Uma curva de Bézier está completamente dentro do maior polígono convexo, formado pelos pontos de controle.
Bézier Transformações Executar as transformações (S,R,T) na curva é equivalente a realizar as transformações nos pontos de controle.
Emendando Curvas Bézier Continuidade C 0 : Último ponto da primeira = primeiro ponto da segunda Continuidade C 1 : C 0 e segmento p 2 p 3 da primeira com mesma direção e comprimento que o segmento p 0 p 1 da segunda Continuidade C 2 : C 1 e + restrições sobre pontos p 1 da primeira e p 2 da segunda p 1 p 2 p 2 p 0 p 3 p 0 p 1 p 2
B-Spline Definida por quatro pontos de controle (P 1, P 2, P 3, P 4 ). Não passa por nenhum ponto de controle. Curva de aproximação Mais suave que as anteriores Mais fácil garantir continuidade paramétrica Controle local.
B-Spline Cada segmento é definido por 4 pontos, cada ponto influencia 4 segmentos de curva (exceto P0 e Pn) Knots são os pontos de junção entre os segmentos de curva 50
B-Spline Representação matricial
// use the parametric time value 0 to 1 for(int i=0;i!=lod;++i) { float Geometry[4][3] = { { 10,10,0 }, // Point1 {-10,5,-2 }, // Point2 { 5,-5,0 }, // Tangent1 { 5,10,0 } // Tangent2 }; unsigned int LOD=20; float t = (float)i/(lod-1); float it = 1.0f-t; // calculate blending functions float b0 = it*it*it/6.0f; float b1 = (3*t*t*t - 6*t*t +4)/6.0f; float b2 = (-3*t*t*t +3*t*t + 3*t + 1)/6.0f; float b3 = t*t*t/6.0f; // calculate the x,y and z of the curve point float x = b0*geometry[0][0] + b1*geometry[1][0] + b2*geometry[2][0] + b3*geometry[3][0] ; float y = b0*geometry[0][1] + b1*geometry[1][1] + b2*geometry[2][1] + b3*geometry[3][1] ; float z = b0*geometry[0][2] + b1*geometry[1][2] + b2*geometry[2][2] + b3*geometry[3][2] ; } // specify the point glvertex3f( x,y,z ); 52
Superfícies Paramétricas Ideia de multiplicação de 2 curvas A informação geométrica que define uma curva passa a ser ela própria uma função de uma variável paramétrica 53
Superfícies Paramétricas A forma geral de uma superfície 3D na sua representação paramétrica é: f ( u, v) ( f ( u, v), f ( u, v), f ( u, v)) x y z 54
Malhas de Polígonos Coleção de arestas, vértices e polígonos conectados Diferentes formas de armazenar a estrutura do polígono Vertex list + faces list Vertex list + edges list + faces list 55
Animação de Cabelos http://http.developer.nvidia.com/gpugems2/gpugems2_chapter23.html 56
Animação de Cabelos Modelo 57
Mais exemplos 58
Brave (Disney) Desenvolveram um simulador chamado Taz. O cabelo foi modelado usando sistema Massamola. No entanto, os cachos são bem formados e deveriam ser rígidos, mas com movimento, sendo contraditório a resistência das molas. Deveriam voar ao vento, mas não muito. Além disto, tinham os problemas da intersecção e colisão que tornaram o projeto desafiador. O simulador trata grupo de cabelos usando multi-threads. Os cabelos-chave são B-splines que foram usadas para ihnterpolar o resto dos cabelos. Merida had 1500 hand placed curves which interpolate to some 111,000 curves at final render. Merida s hair was simulated at about 20 to 30 seconds a frame. 59
Brave (Disney) http://www.thepixarpodcast.com/category/all-episodes http://www.wired.com/underwire/2012/06/pl_bravehairtech/ 60
Curvas e Superfícies Profª Soraia Raupp Musse